Στοιχειώδης αριστοκρατία

Κάθε σειρά του περιοδικού πίνακα τελειώνει στο τέλος. Πριν από λίγο περισσότερο από εκατό χρόνια, η ύπαρξή τους δεν υποτίθεται καν. Τότε κατέπληξαν τον κόσμο με τις χημικές τους ιδιότητες ή μάλλον την απουσία τους. Ακόμη και αργότερα αποδείχθηκαν ότι ήταν μια λογική συνέπεια των νόμων της φύσης. ευγενή αέρια.

Με τον καιρό «πήγαν στη δράση», και στο δεύτερο μισό του περασμένου αιώνα άρχισαν να συνδέονται με λιγότερο ευγενή στοιχεία. Ας ξεκινήσουμε την ιστορία της στοιχειώδους υψηλής κοινωνίας ως εξής:

Πολύ καιρό πριν…

… Υπήρχε ένας άρχοντας.

Ο Λόρδος Henry Cavendish (1731-1810) σε ένα παλιό σκίτσο.

Χένρι Κάβεντις ανήκε στην υψηλότερη βρετανική αριστοκρατία, αλλά τον ενδιέφερε να μάθει τα μυστικά της φύσης. Το 1766, ανακάλυψε το υδρογόνο και δεκαεννέα χρόνια αργότερα διεξήγαγε ένα πείραμα στο οποίο μπόρεσε να βρει ένα άλλο στοιχείο. Ήθελε να μάθει αν ο αέρας περιέχει άλλα συστατικά εκτός από το ήδη γνωστό οξυγόνο και άζωτο. Γέμισε έναν λυγισμένο γυάλινο σωλήνα με αέρα, βύθισε τις άκρες του σε δοχεία υδραργύρου και πέρασε ηλεκτρικές εκκενώσεις ανάμεσά τους. Οι σπινθήρες προκάλεσαν την ένωση του αζώτου με το οξυγόνο και οι προκύπτουσες όξινες ενώσεις απορροφήθηκαν από το αλκαλικό διάλυμα. Ελλείψει οξυγόνου, ο Cavendish το τροφοδότησε στον σωλήνα και συνέχισε το πείραμα μέχρι να αφαιρεθεί όλο το άζωτο. Το πείραμα διήρκεσε αρκετές εβδομάδες, κατά τις οποίες ο όγκος του αερίου στον σωλήνα μειώνονταν συνεχώς. Μόλις εξαντλήθηκε το άζωτο, ο Cavendish αφαίρεσε το οξυγόνο και διαπίστωσε ότι η φυσαλίδα υπήρχε ακόμα, την οποία υπολόγισε ότι ήταν ¹/₁₂₀ αρχικός όγκος αέρα. Ο Κύριος δεν ρώτησε για τη φύση των υπολειμμάτων, θεωρώντας ότι το αποτέλεσμα ήταν λάθος εμπειρίας. Σήμερα ξέρουμε ότι ήταν πολύ κοντά στο άνοιγμα αργόν, αλλά χρειάστηκε περισσότερο από έναν αιώνα για να ολοκληρωθεί το πείραμα.

ηλιακό μυστήριο

Οι εκλείψεις ηλίου πάντα τραβούσαν την προσοχή τόσο των απλών ανθρώπων όσο και των επιστημόνων. Στις 18 Αυγούστου 1868, οι αστρονόμοι που παρατήρησαν αυτό το φαινόμενο χρησιμοποίησαν για πρώτη φορά ένα φασματοσκόπιο (σχεδιασμένο πριν από λιγότερο από δέκα χρόνια) για να μελετήσουν τις ηλιακές προεξοχές, σαφώς ορατές με έναν σκοτεινό δίσκο. γαλλική γλώσσα Πιερ Γιάνσεν με αυτόν τον τρόπο απέδειξε ότι το ηλιακό στέμμα αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και άλλα στοιχεία της γης. Αλλά την επόμενη μέρα, παρατηρώντας πάλι τον Ήλιο, παρατήρησε μια φασματική γραμμή που δεν είχε περιγραφεί προηγουμένως που βρίσκεται κοντά στη χαρακτηριστική κίτρινη γραμμή του νατρίου. Ο Janssen δεν μπόρεσε να το αποδώσει σε κανένα στοιχείο που ήταν γνωστό εκείνη την εποχή. Την ίδια παρατήρηση έκανε και ένας Άγγλος αστρονόμος Νόρμαν ντουλάπι. Οι επιστήμονες έχουν διατυπώσει διάφορες υποθέσεις σχετικά με το μυστηριώδες συστατικό του άστρου μας. Ο Λόκερ τον κατονόμασε λέιζερ υψηλής ενέργειας, για λογαριασμό του Έλληνα θεού του ήλιου - Ήλιου. Ωστόσο, οι περισσότεροι επιστήμονες πίστευαν ότι η κίτρινη γραμμή που είδαν ήταν μέρος του φάσματος του υδρογόνου στις εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες του αστεριού. Το 1881, Ιταλός φυσικός και μετεωρολόγος Λουίτζι Παλμιέρι μελέτησε τα ηφαιστειακά αέρια του Βεζούβιου χρησιμοποιώντας φασματοσκόπιο. Στο φάσμα τους, βρήκε μια κίτρινη ζώνη που αποδίδεται στο ήλιο. Ωστόσο, ο Palmieri περιέγραψε αόριστα τα αποτελέσματα των πειραμάτων του και άλλοι επιστήμονες δεν τα επιβεβαίωσαν. Τώρα γνωρίζουμε ότι το ήλιο βρίσκεται στα ηφαιστειακά αέρια και η Ιταλία μπορεί πράγματι να ήταν η πρώτη που παρατήρησε το επίγειο φάσμα ηλίου.

Εικονογράφηση από το 1901 που δείχνει τη συσκευή για το πείραμα Cavendish

Άνοιγμα στο τρίτο δεκαδικό ψηφίο

Στις αρχές της τελευταίας δεκαετίας του XNUMXου αιώνα, ο Άγγλος φυσικός Λόρδος Ρέιλι (John William Strutt) αποφάσισε να προσδιορίσει με ακρίβεια τις πυκνότητες διαφόρων αερίων, γεγονός που επέτρεψε επίσης τον ακριβή προσδιορισμό των ατομικών μαζών των στοιχείων τους. Ο Rayleigh ήταν επιμελής πειραματιστής, επομένως λάμβανε αέρια από μια μεγάλη ποικιλία πηγών για να ανιχνεύσει ακαθαρσίες που θα παραποιούσαν τα αποτελέσματα. Κατάφερε να μειώσει το σφάλμα προσδιορισμού στα εκατοστά του τοις εκατό, το οποίο εκείνη τη στιγμή ήταν πολύ μικρό. Τα αέρια που αναλύθηκαν έδειξαν συμμόρφωση με την καθορισμένη πυκνότητα εντός του σφάλματος μέτρησης. Αυτό δεν εξέπληξε κανέναν, αφού η σύνθεση των χημικών ενώσεων δεν εξαρτάται από την προέλευσή τους. Η εξαίρεση ήταν το άζωτο - μόνο που είχε διαφορετική πυκνότητα ανάλογα με τη μέθοδο παραγωγής. Αζωτο ατμοσφαιρικός (που λαμβάνεται από τον αέρα μετά τον διαχωρισμό οξυγόνου, υδρατμών και διοξειδίου του άνθρακα) ήταν πάντα βαρύτερο από χημική ουσία (που λαμβάνεται με αποσύνθεση των ενώσεων του). Η διαφορά, παραδόξως, ήταν σταθερή και ήταν περίπου 0,1%. Ο Rayleigh, μη μπορώντας να εξηγήσει αυτό το φαινόμενο, στράφηκε σε άλλους επιστήμονες.

Βοήθεια που προσφέρεται από έναν χημικό Ουίλιαμ Ράμσεϊ. Και οι δύο επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η μόνη εξήγηση ήταν η παρουσία μιας πρόσμειξης ενός βαρύτερου αερίου στο άζωτο που λαμβάνεται από τον αέρα. Όταν συνάντησαν την περιγραφή του πειράματος Cavendish, ένιωσαν ότι ήταν στο σωστό δρόμο. Επανέλαβαν το πείραμα, αυτή τη φορά χρησιμοποιώντας σύγχρονο εξοπλισμό, και σύντομα είχαν στην κατοχή τους ένα δείγμα άγνωστου αερίου. Η φασματοσκοπική ανάλυση έδειξε ότι υπάρχει χωριστά από γνωστές ουσίες και άλλες μελέτες έχουν δείξει ότι υπάρχει ως ξεχωριστά άτομα. Μέχρι στιγμής, τέτοια αέρια δεν ήταν γνωστά (έχουμε Ο₂, Ν₂, Η₂), οπότε αυτό σήμαινε επίσης το άνοιγμα ενός νέου στοιχείου. Ο Rayleigh και ο Ramsay προσπάθησαν να τον κάνουν αργόν (Ελληνικά = τεμπέλης) να αντιδρά με άλλες ουσίες, αλλά χωρίς αποτέλεσμα. Για να προσδιορίσουν τη θερμοκρασία της συμπύκνωσής του, στράφηκαν στον μόνο άνθρωπο στον κόσμο εκείνη την εποχή που διέθετε την κατάλληλη συσκευή. Ήταν Karol Olszewski, καθηγητής χημείας στο Jagiellonian University. Ο Olshevsky υγροποίησε και στερεοποίησε αργό και προσδιόρισε επίσης τις άλλες φυσικές του παραμέτρους.

Η αναφορά των Rayleigh και Ramsay τον Αύγουστο του 1894 προκάλεσε μεγάλη απήχηση. Οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να πιστέψουν ότι γενιές ερευνητών είχαν παραμελήσει το συστατικό 1% του αέρα, το οποίο υπάρχει στη Γη σε ποσότητα πολύ μεγαλύτερη από, για παράδειγμα, το ασήμι. Δοκιμές από άλλους επιβεβαίωσαν την ύπαρξη αργού. Η ανακάλυψη θεωρήθηκε δικαίως ένα μεγάλο επίτευγμα και ένας θρίαμβος ενός προσεκτικού πειράματος (ειπώθηκε ότι το νέο στοιχείο ήταν κρυμμένο στο τρίτο δεκαδικό ψηφίο). Ωστόσο, κανείς δεν περίμενε ότι θα υπάρξει…

… Μια ολόκληρη οικογένεια αερίων.

Ομάδα ηλίου (ατομικός αριθμός στην κορυφή, ατομική μάζα στο κάτω μέρος).

Ακόμη και πριν αναλυθεί διεξοδικά η ατμόσφαιρα, ένα χρόνο αργότερα, ο Ramsay άρχισε να ενδιαφέρεται για ένα άρθρο σε ένα γεωλογικό περιοδικό που ανέφερε την απελευθέρωση αερίου από μεταλλεύματα ουρανίου όταν εκτεθεί σε οξύ. Ο Ramsay προσπάθησε ξανά, εξέτασε το αέριο που προέκυψε με ένα φασματοσκόπιο και είδε άγνωστες φασματικές γραμμές. Διαβούλευση με Ουίλιαμ Κρουκς, ειδικός στη φασματοσκοπία, οδήγησε στο συμπέρασμα ότι αναζητούνταν από καιρό στη Γη λέιζερ υψηλής ενέργειας. Τώρα γνωρίζουμε ότι αυτό είναι ένα από τα προϊόντα διάσπασης του ουρανίου και του θορίου, που περιέχονται στα μεταλλεύματα των φυσικών ραδιενεργών στοιχείων. Ο Ramsay ζήτησε ξανά από τον Olszewski να υγροποιήσει το νέο αέριο. Ωστόσο, αυτή τη φορά ο εξοπλισμός δεν ήταν ικανός να επιτύχει αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες και το υγρό ήλιο δεν ελήφθη μέχρι το 1908.

Το ήλιο αποδείχθηκε επίσης ότι είναι ένα μονοατομικό αέριο και ανενεργό, όπως το αργό. Οι ιδιότητες και των δύο στοιχείων δεν χωρούσαν σε καμία οικογένεια του περιοδικού πίνακα και αποφασίστηκε να δημιουργηθεί μια ξεχωριστή ομάδα για αυτά. [helowce_uklad] Ο Ramsay κατέληξε στο συμπέρασμα ότι υπάρχουν κενά σε αυτό και μαζί με τον συνάδελφό του Μόρις Τράβερς ξεκίνησε περαιτέρω έρευνα. Με απόσταξη υγρού αέρα, οι χημικοί ανακάλυψαν άλλα τρία αέρια το 1898: νέο (γρ. = νέο), κρυπτόν (gr. = skryty) i ξένο (Ελληνικά = ξένος). Όλα μαζί με το ήλιο υπάρχουν στον αέρα σε ελάχιστες ποσότητες, πολύ λιγότερες από το αργό. Η χημική παθητικότητα των νέων στοιχείων ώθησε τους ερευνητές να τους δώσουν ένα κοινό όνομα. ευγενή αέρια. 

Μετά από ανεπιτυχείς προσπάθειες διαχωρισμού από τον αέρα, ανακαλύφθηκε ένα άλλο ήλιο ως προϊόν ραδιενεργών μετασχηματισμών. Το 1900 Φρέντερικ Ντορν Όραζ Andre-Louis Debirne παρατήρησαν την απελευθέρωση αερίου (έκλυση, όπως έλεγαν τότε) από το ράδιο, το οποίο και ονόμασαν ραδόνιο. Σύντομα παρατηρήθηκε ότι οι εκπομπές εκπέμπουν επίσης θόριο και ακτίνιο (θόρον και ακτίνον). Ramsay και Φρέντερικ Σόντι απέδειξε ότι είναι ένα στοιχείο και είναι το επόμενο ευγενές αέριο που ονόμασαν niton (Λατινικά = να λάμπει γιατί τα δείγματα αερίων έλαμπαν στο σκοτάδι). Το 1923, το νιθόνιο έγινε τελικά ραδόνιο, που πήρε το όνομά του από το μακροβιότερο ισότοπο.

Η τελευταία από τις εγκαταστάσεις ηλίου που κλείνουν τον πραγματικό περιοδικό πίνακα ελήφθη το 2006 στο ρωσικό πυρηνικό εργαστήριο στη Ντούμπνα. Το όνομα, που εγκρίθηκε μόλις δέκα χρόνια αργότερα, Ογκανεσόν, προς τιμήν του Ρώσου πυρηνικού φυσικού Γιούρι Ογκανεσιάν. Το μόνο γνωστό για το νέο στοιχείο είναι ότι είναι το βαρύτερο γνωστό μέχρι στιγμής και ότι έχουν παραχθεί μόνο λίγοι πυρήνες που έχουν ζήσει για λιγότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου.

Χημικές ασυμφωνίες

Η πίστη στη χημική παθητικότητα του ηλίου κατέρρευσε το 1962 όταν Νιλ Μπάρτλετ έλαβε μια ένωση του τύπου Xe [PtF₆]. Η χημεία των ενώσεων ξένον σήμερα είναι αρκετά εκτεταμένη: φθοριούχα, οξείδια και ακόμη και άλατα οξέος αυτού του στοιχείου είναι γνωστά. Επιπλέον, είναι μόνιμες ενώσεις υπό κανονικές συνθήκες. Το κρυπτόν είναι ελαφρύτερο από το ξένο, σχηματίζει αρκετά φθορίδια, όπως και το βαρύτερο ραδόνιο (η ραδιενέργεια του τελευταίου κάνει την έρευνα πολύ πιο δύσκολη). Από την άλλη πλευρά, τα τρία ελαφρύτερα - ήλιο, νέο και αργό - δεν έχουν μόνιμες ενώσεις.

Χημικές ενώσεις ευγενών αερίων με λιγότερο ευγενείς συνεργάτες μπορούν να συγκριθούν με παλιές συμμαχίες. Σήμερα, αυτή η έννοια δεν ισχύει πλέον και δεν πρέπει να εκπλαγεί κανείς που ...

Ελικόπτερα, από αριστερά προς τα δεξιά: Lord Rayleigh (John William Strutt, 1842–1919), Sir William Ramsay (1852–1916) και Morris Travers (1872–1961). πορτρέτο από τη συλλογή του University College του Λονδίνου.

… οι αριστοκράτες δουλεύουν.

Το ήλιο λαμβάνεται με το διαχωρισμό του υγροποιημένου αέρα σε φυτά αζώτου και οξυγόνου. Από την άλλη πλευρά, η πηγή ηλίου είναι κυρίως το φυσικό αέριο, στο οποίο ανέρχεται έως και ένα ποσοστό του όγκου (στην Ευρώπη, η μεγαλύτερη μονάδα παραγωγής ηλίου λειτουργεί στην αντιστάθηκα, στο βοεβοδάτο της Μεγάλης Πολωνίας). Η πρώτη τους ενασχόληση ήταν να λάμπουν σε φωτεινούς σωλήνες. Στις μέρες μας, η διαφήμιση νέον εξακολουθεί να είναι ευχάριστη στο μάτι, αλλά τα υλικά ηλίου αποτελούν και τη βάση ορισμένων τύπων λέιζερ, όπως το λέιζερ αργού που θα συναντήσουμε στον οδοντίατρο ή την αισθητικό.

Καλλιτεχνική απόδοση του Xenon Ion Probe Dawn κοντά στον αστεροειδή Ceres.

Η χημική παθητικότητα των εγκαταστάσεων ηλίου χρησιμοποιείται για τη δημιουργία μιας ατμόσφαιρας που προστατεύει από την οξείδωση, για παράδειγμα, κατά τη συγκόλληση μετάλλων ή ερμητικών συσκευασιών τροφίμων. Οι λάμπες με ήλιο λειτουργούν σε υψηλότερη θερμοκρασία (δηλαδή λάμπουν πιο έντονα) και χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια πιο αποτελεσματικά. Συνήθως το αργό χρησιμοποιείται αναμεμειγμένο με άζωτο, αλλά το κρυπτό και το ξένο δίνουν ακόμα καλύτερα αποτελέσματα. Η πιο πρόσφατη χρήση του xenon είναι ως υλικό προώθησης στην πρόωση πυραύλων ιόντων, η οποία είναι πιο αποτελεσματική από την πρόωση με χημικό προωθητικό. Το ελαφρύτερο ήλιο είναι γεμάτο με μετεωρολογικά μπαλόνια και μπαλόνια για παιδιά. Σε ένα μείγμα με οξυγόνο, το ήλιο χρησιμοποιείται από δύτες για να εργαστούν σε μεγάλα βάθη, γεγονός που βοηθά στην αποφυγή της ασθένειας αποσυμπίεσης. Η πιο σημαντική εφαρμογή του ηλίου είναι η επίτευξη των χαμηλών θερμοκρασιών που απαιτούνται για τη λειτουργία των υπεραγωγών.

Το μείγμα οξυγόνου-ηλίου εξασφαλίζει ασφαλή κατάδυση.